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Ricupero, Michele

Integrazione di sistemi solari attivi termici in elementi edilizi strutturali.

Rel. Vincenzo Corrado, Giuseppe Pistone. Politecnico di Torino, Corso di laurea in Architettura, 2004

Abstract:

Le energie cosiddette "sostenibili" ed in particolare quella solare impiegata per scopi termici, ancora oggi sembrano non essere riuscite ad entrare nella mano degli architetti e nello spirito dei committenti rimanendo legate ad un contesto di tipo tecnico ed impiantistico. Il mercato mette a disposizione, in qualità di sistemi di captazione solare, oggetti industriali standard che male si integrano col quotidiano della gente comune, col loro consueto modo di concepire gli impianti termici e con l'edificato preesistente, evidenziando l'assenza di flessibilità progettuale. In tale ottica, il progettista, solitamente poco ferrato nel progettare impianti termici, è obbligato a delegare in seconda istanza il termo-tecnico più o meno esperto, il quale si trova a dovere decidere, in modo del tutto indipendente, sul dimensionamento e sull'ubicazione degli elementi tecnici di captazione, lasciando completamente estranei sia il committente che il progettista architettonico. Questo "modus operandi", il più delle volte, crea dei forti scompensi nella .composizione architettonica col risultato di produrre edifici casualmente pezzati da elementi tecnici, oppure di frenare la diffusione dei sistemi solari. Da queste considerazioni e da numerosi tentativi di carattere teorico e sperimentale, riscoprendo le potenzialità delle realizzazioni in opera, è nata l'idea di proporre il solare termico come un'esperienza collettiva a cui parteciperebbero:

1. Il committente

2. Il progettista (responsabile dell'immagine complessiva del manufatto)

3. I tecnici specializzati (nel dimensionare struttura e impianti)

4. Gli operatori del settore (nel concretizzare il progetto)

all'interno di un sistema costruttivo innovativo che permetterebbe in modo agevole la realizzazione di partizioni strutturali su disegno. Tale "modus operandi", grazie alla flessibilità intrinseca del sistema, permetterebbe di aprire la tecnologia del solare termico verso molti altri contesti rispetto a quelli attuali che, a causa delle caratteristiche delle tradizionali tecnologie del solare termico, risultano molto limitati sotto vari punti di vista. Il taglio dell'argomentazione, volutamente didattico, è finalizzato alla comprensione e all'apprendimento sia del sistema integrato da noi proposto,' sia delle conoscenze fisiche e tecnologiche riguardanti l'argomento. Attraverso un'approfondita analisi prestazionale, e mediante la conduzione teorica di un semplice caso studio ambientato ad Aosta, "il balcone solare", si giustifica la scelta di un sistema strutturale integrato fondato sull'impiego di semplici piatti piegati o curvati in acciaio. L'impiego di modelli matematici e lo sviluppo di algoritmi messi a punto per l'occasione (inseriti all'interno del secondo volume insieme ai dati climatici relativi ad alcuni capoluoghi della Valle d'Aosta) , basati sulle indicazioni delle norme UNI e non solo, hanno permesso di compilare tutti i programmi informatici necessari alla valutazione energetica, strutturale ed economica del sistema. Al termine del primo volume viene presentata la campagna sperimentale condotta durante questi ultimi due anni di ricerca, basata su numerosissimi scambi di carattere informativo e tecnico tra l'autore e varie figure professionali appartenenti avari settori. Grazie alle precedentemente citate indagini sperimentali ed alle valutazioni tecnologiche, fisiche ed economiche si è giunti ad un sistema strutturale integrato che ha già mostrato le sue potenzialità e riscosso l'interesse da parte di numerose figure all'interno dei settori edilizio ed industriale.

Relatori: Vincenzo Corrado, Giuseppe Pistone
Parole chiave: integrazione - sistemi solari
Soggetti: S Scienze e Scienze Applicate > SH Fisica tecnica
A Architettura > AO Progettazione
Corso di laurea: Corso di laurea in Architettura
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/257
Capitoli:

VOLUME 1:

SOMMARIO

CAPITOLO 1

L'INTEGRAZIONE DEL SOLARE TERMICO IN ELEMENTI STRUTTURALI: MOTIVAZIONI DELLO STUDIO

1.1 INFORMAZIONE E FORMAZIONE

1.2 IL SETTORE DEL SOLARE TERMICO IN EUROPA

1.3 IL SETTORE DEL SOLARE TERMICO IN ITALIA: PROBLEMATICHE ED INCENTIVI

CAPITOLO 2

CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI SOLARI

2.1 SISTEMI SOLARI TERMICI

2.1.1 SISTEMI SOLARI SENZA CONCENTRAZIONE

2.1.2 SISTEMI SOLARI A DEBOLE O FORTE CONCENTRAZIONE

2.2 CAPTAZIONE DELL'ENERGIA SOLARE PER SCOPI TERMICI: STATO DELL'ARTE

CAPITOLO 3

IL SISTEMA SOLARE TERMICO: ANALISI ESIGENZIALE - PRESTAZIONALE

3.1 LE SOTTOCLASSI DEL SISTEMA SOLARE TERMICO

3.2 LA CLASSE DEGLI ELEMENTI TECNICI DI CAPTAZIONE

3.3 IL SISTEMA DI COPERTURA

3.4.1 IL SISTEMA DI COPERTURA: REQUISITI

-Trasmissività solare

-Resistenza termica

-Resistenza alle sollecitazioni fisiche e chimiche

3.4.2 IL SISTEMA DI COPERTURA: TECNOLOGIE E PRESTAZIONI

-Materiali idonei a costituire il sistema di copertura: i prodotti vetrari e le materie plastiche

3.4.2.1 PRODOTTI VETRARI: FUNZIONI E PRESTAZIONI

-Caratteristiche fisico-ottiche

-Caratteristiche termiche

-Caratteristiche meccaniche e chimiche

3.4.2.2 LE MATERIE PLASTICHE: FUNZIONI E PRESTAZIONI

-Caratteristiche fisico-ottiche

-Caratteristiche termiche

-Caratteristiche meccaniche e chimiche

3.4 L'ASSORBITORE SOLARE

3.5.1 L'ASSORBITORE: REQUISITI

-Assorbimento solare

-Emissione termica

-Conducibilità termica

-Resistenza alle sollecitazioni fisiche

-Resistenza alle sollecitazioni chimiche

3.5.2 L'ASSORBITORE: TECNOLOGIE E PRESTAZIONI

-Materiali idonei a costituire l'assorbitore: il rame, l'alluminio ed il ferro

-Caratteristiche termiche

-Caratteristiche fisico-meccaniche e chimiche

3.6 LO SCAMBIATORE DI CALORE

3.6.1 LO SCAMBIATORE DI CALORE: REQUISITI

-Il fattore di asporto termico FR

-Resistenza alle sollecitazioni fisiche e chimiche

3.6.2 LO SCAMBIATORE DI CALORE: TECNOLOGIE E PRESTAZIONI

-Il fattore di asporto termico FR

3.7 IL FLUIDO TERMOVETTORE

3.7.1 IL FLUIDO TERMOVETTORE: REQUISITI

3.7.2 IL FLUIDO TERMOVETTORE: TECNOLOGIE E PRESTAZIONI

-Materiali idonei ad essere impiegati in qualità di fluido termovettore

-Compatibilità con i materiali a contatto del fluido

3.8 L'ISOLAMENTO TERMICO

3.8.1 L'ISOLAMENTO TERMICO: REQUISITI

-Conducibilità termica

-Permeabilità al vapore

Comportamento fisico e chimico alle temperature limite di esercizio

-Comportamento noto al fuoco

-Compatibilità con gli altri elementi a contatto .Affidabilità nel tempo

3.8.2 L'ISOLAMENTO TERMICO: TECNOLGIE E PRESTAZIONI

-Gli isolanti termici: classificazione e caratteristiche generali

-Caratteristiche termoigrometriche

-Resistenza alle sollecitazioni meccaniche

-Resistenza alle sollecitazioni chimiche

-Comportamento noto al fuoco

-Affidabilità nel tempo

3.9 IL CONTENITORE ED IL SUPPORTO STRUTTURALE

3.9.1 IL CONTENITORE ED IL SUPPORTO STRUTTURALE: REQUISITI

-Caratteristiche di comportamento dell'assieme

-Resistenza fisica e chimica degli elementi costituenti

-Tenuta all'aria e all'acqua

-Comportamento noto al fuoco

-Affidabilità nel tempo

3.9.2 IL CONTENITORE ED IL SUPPORTO STRUTTURALE: TECNOLOGIE E PRESTAZIONI

-Il contenitore quale elemento strutturale

-Analisi delle tipologie strutturali di tradizione

-Caratteristiche d'integrazione dell'assieme

-Resistenza alle sollecitazioni fisiche e chimiche

-Tenuta all'aria e all'acqua

-Comportamento noto al fuoco

-Affidabilità nel tempo

CAPITOLO 4

IL BALCONE SOLARE: LO SVOLGIMENTO DI UN SEMPLICE CASO STUDIO PER PRESENTARE IL SISTEMA

4.1 LA PARTIZIONE STRUTTURALE INTEGRATA: UN SISTEMA FLESSIBILE E MODULARE

4.2 VARIAZIONE TIPOLOGICA DELLA CONFIGURAZIONE DEL TRAVETTO IN RELAZIONE

ALLA SOLLECITAZIONE

-Elemento sottoposto a compressione

-Elemento sottoposto a flessione

-Elemento sottoposto a trazione

4.3 MOTIVAZIONI TECNOLOGICHE DELLA SCELTA DELLA SEZIONE COMPOSTA

-Flessibilità progettuale

-Semplificazione nella scelta delle lavorazioni di carpenteria metallica

4.4 ANALISI STRUTTURALE DEL BALCONE SOLARE

4.4.1 ANALISI STRUTTURALE DELLA LASTRA VITREA

-Analisi dei carichi allo S.L.E. agenti sulla lastra vitrea (AOSTA)

-Dimensionamento della lastra di vetro

4.4.2 IPOTESI DI UN NUOVO ED EFFICACE SCHEMA STATICO PER IL SISTEMA DI COPERTURA

4.4.3 ANALISI DEI CARICHI ALLO S.L.E. AGENTI SULLA TRAVE (AOSTA)

4.4.4 ANALISI DEGLI SCHEMI STATICI

-Trave semplicemente appoggiata

-Trave incastrata

4.4.5 ANALISI STATICA PARAMETRICA DELLA SEZIONE COMPOSTA

4.4.6 ANALISI E VERIFICA DELLE CONNESSIONI

-Connessione tra il piatto e l'irrigidimento

-Dimensionamento delle saldature

4.4.7 DIMENSIONAMENTO DELL'INCASTRO

-Il piatto di ancoraggio

-Verifica al taglio dei bulloni di collegamento

-Verifica al rifollamento della lamiera

4.5 LA SOLUZIONE TECNOLOGICA

4.5.1 LE FASI DI REALIZZAZIONE E DI POSA IN OPERA

CAPITOLO 5

LE PRESTAZIONI ENERGETICHE DEL SISTEMA TECNOLOGICO-STRUTTURALE

5.1 PARAMETRI CONCORRENTI ALLA DEFINIZIONE DELL'EFFICIENZA DEL SISTEMA

5.1.1 IL FATTORE GLOBALE DI DISPERSIONE TERMICA Uc

5.1.2 IL FATTORE DI ASPORTO TERMICO FR

5.1.3 IL PRODOTTO TRASMISSIVITA'-ASSORBIMENTO ( Ta )

5.2 LA RETTA TEORICA DI EFFICIENZA DEL SISTEMA SOLARE INTEGRATO

5.3 VALUTAZIONE DELLA FRAZIONE ENERGETICA COPERTA DALL'IMPIANTO (AOSTA)

5.3.1 DICHIARAZIONE DEI PARAMETRI UTILIZZATI PER IL CALCOLO

-Irraggiamento solare incidente

-Il fattore di correzione della trasmissione energetica della copertura

-Il fattore di ombreggiamento per giacitura verticale

-Parametri caratteristici dell'impianto termico

5.3.2 ESPRESSIONE ED ANALISI DEI RISULTATI

CAPITOLO 6

VALUTAZIONI ECONOMICHE DEL SISTEMA

6.1 COMPUTO METRICO ESTIMATIVO DEL SISTEMA SOLARE INTEGRATO

6.2 COMPUTO METRICO ESTIMATIVO DI PARTIZIONI

STRUTTURALI TRADIZIONALI, ALTERNATIVE AL SISTEMA INTEGRATO

-Partizione orizzontale continua in C.A.

-Partizione orizzontale discontinua in legno

-Partizione orizzontale discontinua in acciaio e pietra

6.2.1 COMPARAZIONE DEI COSTI DI REALIZZAZIONE

6.3 ANALISI COSTI-RICAVI DEL SISTEMA

6.3.1 STIMA ECONOMICA MEDIANTE IL "DISCOUNTED CASH FLOW'

-Analisi costi-ricavi di partizioni captanti disposte con differenti giaciture

6.4 CONCLUSIONI DI CARATTERE ECONOMICO

CAPITOLO 7

INDAGINI SPERIMENTALI RELATIVE AL SISTEMA INTEGRATO

7.1 SPERIMENTAZIONE DI CARATTERE TECNOLOGICO-STRUTTURALE

7.1.1 VERIFICA SPERIMENTALE DEL SISTEMA STRUTTURALE

7.1.2 VALUTAZIONI SPERIMENTALI RELATIVE AL GRIGLIATO

7.1.3 VALUTAZIONE SPERIMENTALE DEL COIBENTE TERMICO

7.1.4 VALUTAZIONI SPERIMENTALI RELATIVE ALLA PIASTRA CAPTANTE ED ALLO SCAMBIATORE TERMICO

7.1.5 VALUTAZIONE SPERIMENTALE DELL'UNIONE SCAMBIATORE-SISTEMA DI TRASPORTO

7.2 SPERIMENTAZIONE ENERGETICA ED IMPIANTISTICA

CAPITOLO 8

CONCLUSIONI E SVILUPPI POSSIBILI DEL SISTEMA STRUTTURALE INTEGRATO

8.1 PUNTI DI FORZA DEL SISTEMA INTEGRATO

8.2 PUNTI DI DEBOLEZZA DEL SISTEMA INTEGRATO

8.3 POSSIBILITA' DI IMPIEGO DEL SISTEMA INTEGRATO

8.3.1 ORDITURA PRINCIPALE/SECONDARIA NEI SISTEMI DI PARTIZIONE VERTICALI ESTERNI 8.3.2 ORDITURA PRINCIPALE/SECONDARIA DI PICCOLE OPERE INFRASTRUTTURALI

8.3.3 ORDITURA PRINCIPALE/SECONDARIA NEI SISTEMI DI COPERTURA

VOLUME 2:

Modellazione matematica dei fenomeni fisici (compendio alla tesi)

CAPITOLO 1

MODELLAZIONE MATEMATICA DEI FENOMENI FISICI RELATIVI AL COLLETTORE SOLARE PIANO

1.4 L'EFFICIENZA DEL COLLETTORE SOLARE PIANO: L'EQUAZIONE DI BLISS

1.5 L'ENERGIA DISPERSA DAL SISTEMA DI CAPTAZIONE

2.1.2 LA DISPERSIONE PER CONDUZIONE

2.1.3 LA DISPERSIONE PER CONVEZIONE

-Giacitura della cavità con 00 < ¦Â < 60¡ã -flusso termico ascendente

-Giacitura della cavità con 60¡ã < ¦Â < 90¡ã -flusso termico ascendente

-Giacitura della cavità con 90¡ã < ¦Â < 180¡ã -flusso termico discendente

2.1.4 LA DISPERSIONE PER IRRAGGIAMENTO

1.6 CALCOLO DEL COEFFICIENTE DI DISPERSIONE TERMICA GLOBALE Uc

1.3.1 IL FATTORE DI EFFICIENZA F'

1.3.2 IL FATTORE DI ASPORTO TERMICO FR

CAPITOLO 2

ENERGIA SOLARE TRASMESSA DAL SISTEMA DI COPERTURA

2.3 IL PRODOTTO TRASMISSIVITA' -ASSORBIMENTO (Ta)

2.1.1 IL PRODOTTO TRASMISSIVITA' -ASSORBIMENTO NEL CASO DI UN SISTEMA DI COPERTURA COSTITUITO DA DIFFERENTI MATERIALI

CAPITOLO 3

CALCOLO DEGLI APPORTI SOLARI: VALUTAZIONE DELLA CAPTAZIONE DELL'ENERGIA SOLARE DA PARTE DI UNA SUPERFICIE COMUNQUE ORIENTATA

3.5 PARAMETRI GEOMETRICI E FISICI CARATTERIZZANTI L'IRRAGGIAMENTO SOLARE

3.6 OMBREGGIAMENTO SOLARE ESERCITATO DA UNO SPORTO ORIZZONTALE SU DI UNA SUPERFICIE VERTICALE RETTANGOLARE COMUNQUE ORIENTATA CHE , CONDIVIDA CON QUESTA UN LATO

3.7 VALUTAZIONE DELL'ENERGIA SOLARE GIORNALIERA MEDIA MENSILE INCIDENTE SU DI UNA SUPERFICIE CAPTANTE COMUNQUE ORIENTATA

3.8 VALUTAZIONE DEGLI APPORTI OTTENIBILI MEDIANTE SISTEMI ATTIVI O PASSIVI

3.4.1 IL CAMPO DI APPLICAZIONE

3.4.2 DETERMINAZIONE DEI FATTORI FR &#8729;UC;FR &#8729;(¦Ó¦Á);F¡¯R/FR; ¦Ó¦Á/ ¦Ó¦Á

3.4.3 DETERMINAZIONE DEL CARICO TERMICO MENSILE Lmensile

-Il carico termico mensile

-Stima delle massime dispersioni termiche ammissibili

-Stima delle dispersioni termiche reali

-Stima del carico termico mensile per il riscaldamento dell'acqua sanitaria LH2o

CAPITOLO 4

RESISTENZA E DIMENSIONAMENTO DELLE LASTRE DI VETRO

4.1 FORMULA GENERALE DI THIMOSHENKO

4.2 CONSIDERAZIONI TECNOLOGICHE RELATIVE ALLE LASTRE DI VETRO PER PAVIMENTAZIONI E GRADINI A122 4.3 PRODOTTI VETRARI UTILIZZABILI

4.4 APPLICAZIONE DELLA FORMULA DI THIMOSHENKO A LASTRE DI VETRO PER PAVIMENTAZIONI E GRADINI

4.4.1 VERIFICA AL CARICO DISTRIBUITO

-Sicurezza normale

-Sicurezza rinforzata

4.4.2 VERIFICA AL CARICO CONCENTRATO

-Sicurezza normale

-Sicurezza rinforzata

4.5 CONSIDERAZIONI DI CARATTERE GENERALE SULLE SOLLECITAZIONI DI ORIGINE TERMICA

CAPITOLO 5

VALORI DI TEMPERATURA ED IRRAGGIAMENTO SOLARE AL SUOLO MISURATI IN SITU PER ALCUNI CAPOLUOGHI DELLA VALLE D'AOSTA

-AOSTA

-BRUSSON

-COURMAYEUR

-GRESSONEY-LA- TRINITE'

-GRESSONEY-SAINT ¨CJEAN

-NUS

-VALPELLINE

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Collettori solari piani a liquido. Determinazione del rendimento termico.

UN17143:1972 I Vetri piani. Spessore dei vetri piani per vetrazioni in funzione delle loro dimensioni, dell' azione del vento e del carico neve.

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Edilizia. Esigenze dell' utenza finale. Classificazione.

UNI 8290-1:1981 + A122:1983

Edilizia residenziale. Sistema tecnologico. Classificazione e terminologia.

UNI8290-2:1983

Edilizia residenziale. Sistema tecnologico. Analisi dei requisiti.

UNI 8290-3:1987

Edilizia residenziale. Sistema tecnologico. Analisi degli agenti.

UNI8369-2:1987

Edilizia. Pareti perimetrali verticali. Classificazione e terminologia.

UN18211:1981

Impianti di riscaldamento ad energia solare. Terminologia, funzioni, requisiti e parametri per l' integrazione negli edifici.

UNI 8477-1:1983

Energia solare. Calcolo degli apporti per applicazioni in edilizia. Valutazione del!' energia raggiante ricevuta.

UNI8477-2:1985

Energia solare. Calcolo degli apporti per applicazioni in edilizia. Valutazione degli apporti ottenibili mediante sistemi attivi o passivi.

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